Chu kì hoạt động mặt trời - Trần Quốc Hà

Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 25 CHU KÌ HOẠT ĐỘNG MẶT TRỜI Trần Quốc Hà* 1. Mở đầu Mặt trời là nguồn năng lượng và nguồn bức xạ vơ cùng to lớn. Các bức xạ đĩ đã ion hố tầng khí quyển trên cao của Trái đất, tạo nên tầng điện li cĩ tầm quan trọng đặc biệt trong thơng tin liên lạc. Các biến động trong lịng Mặt trời, được thể hiện qua sự thay đổi cĩ chu kì trên bề mặt Mặt trời, sẽ làm cho lượng bức xạ thay đổi, dẫn đến lượng khí bị ion hố ở tầng điện li thay đổi. Như vậy, giữa hoạt động Mặt trời và trạng thái của tầng điện li Trái đất cĩ mối quan hệ rất chặt chẽ. Để hiểu được đặc tính của tầng điện li Trái đất, trước hết ta phải nghiên cứu kĩ Mặt trời và hoạt động của nĩ. 2. Sơ lược về cấu tạo Mặt trời Mặt trời được coi là một quả cầu khí bán kính cỡ 7.105km, được tạo ra chủ yếu từ khí Hydro và khí Helium (98%) với khối lượng cỡ 2.1030kg. Dưới sức ép của khối lượng khổng lồ đĩ nhiệt độ tại tâm của Mặt trời lên đến hàng chục triệu độ Kelvin, đủ để phản ứng tổng hợp hạt nhân Hydro thành Helium xảy ra. 70% khí Mặt trời tham gia vào phản ứng trên khiến Mặt trời biến thành một khối plasma nĩng bỏng khổng lồ, phĩng ra các bức xạ điện từ và bức xạ hạt gần như vơ tận. Bề mặt Mặt trời mà ta nhìn thấy được gọi là Quang cầu (Photosphere) – một phần mỏng của khí quyển Mặt trời, với nhiệt độ cỡ 6000K. Tiếp đĩ là các phần khí quyển chính như Sắc cầu (Chromosphere) và Nhật hoa (Corona). Các bức xạ từ tâm Mặt trời truyền ra ngồi bằng con đường trực xạ và sau đĩ là đối lưu. Khi ra đến bề mặt Mặt trời, nĩ cho ta dải phổ trên tất cả các vùng của thang sĩng điện từ. Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời được xác định khi coi Mặt trời như vật đen tuyệt đối, với cơng suất bức xạ tồn phần Q = 3,8.1026W. Một điều rất lạ * ThS, Ban Thanh tra Đào tạo, Trường ĐHSP Tp.HCM Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà 26 về Mặt trời là nhiệt độ của vành Nhật hoa rất cao, cỡ hàng triệu độ Kelvin. Điều này chỉ cĩ thể lí giải bằng cơ chế của hoạt động Mặt trời. Mặt trời quay quanh trục của mình một cách rất kì lạ vì nĩ khơng phải là vật rắn. Phần trên bề mặt Mặt trời, tại xích đạo chu kì quay cỡ 27 ngày, cịn vùng cực cỡ 35 ngày. Trong khi đĩ, các nghiên cứu gần đây cho thấy ở lớp trong Mặt trời quay như một vật rắn với cùng chu kì cỡ 27 ngày. Mặt trời cấu tạo từ plasma nên nĩ cĩ từ tính. Từ trường Mặt trời cĩ tính chất rất phức tạp, liên quan đến chuyển động quay của nĩ mà sự thể hiện trên bề mặt Mặt trời con người cĩ thể quan sát được gọi là hoạt động Mặt trời. 3. Hoạt động Mặt trời (Solar Activity) Năm 1612, G. Galileo đã phát hiện trên bề mặt Mặt trời cĩ những vết đen – ơng gọi là vết đen Mặt trời (Sunspot). Đĩ là những vùng sẫm màu cĩ đường kính rộng nhất cỡ 104km, tồn tại khoảng vài ngày đến khoảng một tháng. Dường như chúng khơng cố định mà thay đổi một cách cĩ quy luật. Năm 1849, Wolf đưa ra cách tính số vết đen Mặt trời như sau : R = k(10g + f) Với : R : số vết đen Mặt trời (Sunspot number) g : số nhĩm vết đen f : số vết đen riêng lẻ. k : hệ số phụ thuộc điều kiện quan sát. Từ năm đĩ, Wolf cơng bố số vết đen Mặt trời từ đài thiên văn Zurich (Thụy Sỹ) với k = 1. Số đĩ cịn được gọi là số Wolf (số W) hay số Zurich (số Z). Những nghiên cứu tiếp theo về Mặt trời cho thấy Mặt trời cĩ những biểu hiện khác thường nữa như các vụ bùng nổ thường xảy ra ở vùng Sắc cầu – Nhật hoa được gọi là bùng nổ Mặt trời (Solar Flare) và sự phĩng khí vành Nhật hoa (Coronal Mass Ejection, viết tắt là CME) ... Chúng được gọi chung là hoạt động Mặt trời (Solar Activity). Đặc trưng của vết đen Mặt trời là chúng thẫm màu (đen) hơn vùng xung quanh, tức Quang cầu, nhiệt độ thấp hơn Quang cầu, cỡ 4000K. Đĩ là vùng cĩ từ Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 27 trường mạnh, cỡ 102 – 101 Tesla (so với từ trường trung bình của Trái đất là 104 Tesla). Nĩ thường xuất hiện thành từng cặp, như một lưỡng cực từ, cĩ định hướng đơng – tây. Sự đảo cực xảy ra cĩ chu kì 22 năm (hai chu kì hoạt động của Mặt trời). Cịn bùng nổ Mặt trời là những vụ nổ khủng khiếp xảy ra tại vùng Sắc cầu – Nhật hoa với năng lượng cỡ 1018 KWh, tức tương đương hàng tỉ quả bom nguyên tử. Vụ nổ khiến khí Nhật hoa bị nung nĩng lên hàng chục triệu độ Kelvin tạo ra các bức xạ cực ngắn (EUV) và tia X. Đồng thời vụ nổ cịn tăng tốc các hạt mang điện trong plasma Mặt trời (p, e) và chúng phĩng ra khỏi Mặt trời, lao vào khơng gian với tốc độ rất lớn, đĩ là sự thốt khí ở vành nhật hoa (CME). Người ta nhận thấy bùng nổ Mặt trời, CME và vết đen Mặt trời cĩ liên quan chặt chẽ, chúng chẳng qua là những biểu hiện ở các lớp khác nhau của Mặt trời của một hiện tượng duy nhất, đĩ là các hoạt động điện từ của Mặt trời. Về bản chất của các hoạt động đĩ cĩ nhiều vấn đề ta chưa biết tường tận nên chưa thể lí giải đầy đủ. Tuy nhiên, theo vật lí học hiện đại ta cĩ thể hình dung đại thể như sau : do Mặt trời là một khối khí mang điện (plasma) nên khi khí chuyển động sẽ sinh ra từ trường, từ trường biến đổi lại sinh ra điện trường Vì các lớp khí chuyển động khơng đồng bộ như đã trình bày ở trên nên các đường sức từ nhiều khi bị xoắn lại, nĩ phồng lên và trồi lên mặt Quang cầu như các vết đen Mặt trời. Đồng thời, sự vặn xoắn cịn làm đứt các vịng từ trong vùng Sắc cầu - Nhật hoa tạo nên sự chập mạch gây nổ khủng khiếp, phĩng ra hàng loạt bức xạ sĩng và hạt. Tuy về chi tiết ta chưa rõ lắm về cơ chế phát sinh các hoạt động Mặt trời, nhưng hậu quả của các hoạt động đĩ là sự thay đổi các bức xạ từ Mặt trời mà Trái đất thu được đã được nghiên cứu kĩ từ rất lâu. Từ năm 1849, người ta đã lấy số R làm chỉ số biểu thị độ hoạt động Mặt trời. Người ta thấy chỉ số này thay đổi một cách cĩ qui luật. Chu kì thường gặp nhất của sự thay đổi này được gọi là chu kì Mặt trời (Solar Cycle) cĩ độ dài 11 năm, do Schwabe đề ra năm 1843. Tính từ 1755 đến nay (các số liệu thật sự đáng tin) chúng ta mới ghi nhận được 23 chu kì Mặt trời, một con số thống kê cịn quá ít ỏi để nghiên cứu về Mặt trời. Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà 28 Ngồi chu kì trên, năm 1912, G.E Hale đã phát hiện ra chu kì 22 năm của hoạt động Mặt trời. Đây chính là chu kì hoạt động từ (Magnetic Activity Cycle) của Mặt trời. Đồng thời hiện nay ngồi chỉ số R để biểu thị độ hoạt động của Mặt trời, người ta cịn dùng chỉ số f10,7cm - thơng lượng bức xạ của bước sĩng vơ tuyến 10,7cm của bức xạ Mặt trời. Người ta thấy giữa cách biểu diễn chu kì Mặt trời qua vết đen và qua thơng lượng f10,7cm của Mặt trời là tương đương nhau. 4. Số liệu về hoạt động Mặt trời Ngày nay đài quan trắc Mặt trời hầu như cĩ mặt tại khắp nơi trên Trái đất (chưa cĩ ở Việt Nam). Các đài cĩ nhiệm vụ quan trắc Mặt trời và thống kê các số liệu quan trắc. Ngồi ra cịn cĩ các đài thiên văn với kính thiên văn thích hợp để chụp ảnh Mặt trời. Ví dụ, kính thiên văn hiện đại nhất để nghiên cứu Mặt trời hiện nay đặt tại đảo Canari của Thụy Điển, đường kính 1m, cĩ thể chụp ảnh Mặt trời với độ phân giải kỉ lục. Để thu thập được nhiều thơng tin hơn về Mặt trời, người ta cịn dùng các vệ tinh nhân tạo. Đĩ là vệ tinh SOHO (The Solar and Heliospheric Observatory) phĩng năm 1995 bởi cơ quan hàng khơng và vũ trụ châu Âu và NASA (Mĩ). Nĩ cĩ thể chụp ảnh Mặt trời bằng tia cực tím để nghiên cứu bức xạ năng lượng cao của Mặt trời ; vệ tinh TRACE (The Transition Region and Coronal Explorer) phĩng năm 1998 cho phép chụp ảnh Mặt trời ở bước sĩng ngắn với độ phân giải cao gấp chục lần SOHO ; vệ tinh chụp Nhật hoa Mặt trời bằng tia X của Nhật Yokkoh bị trục trặc năm 2001 sau 10 năm phục vụ. Gần đây nhất là vệ tinh ACE (Advanced Composition Explorer) với mục đích dự báo bão Mặt trời – tức những vụ bùng nổ Mặt trời và CME. Số liệu về hoạt động Mặt trời được cơng bố rộng rãi, miễn phí trên các trang web sau : 1. http ://www.ips.gov.au : đây là trang web về Mặt trời của Úc. 2. http ://www.sec.noaa.gov : đây là trang web về Mặt trời của Mĩ. 3. http ://www.sidc.oma.be : đây là trang web của Bỉ. Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 29 Về chỉ số Mặt trời các trang web thường cho số liệu vết đen Mặt trời trong ngày (Daili Sunspot Number). Đây là số liệu quan sát thực. Sau đĩ mỗi website cĩ cách làm trơn khác nhau để cĩ chỉ số làm trơn của tháng (Smooth sunspot number). Vì số vết đen hàng ngày thay đổi nên khi lấy trung bình tháng mỗi website cĩ phương pháp thống kê khác nhau. Vậy nên số liệu vết đen Mặt trời trung bình tháng giữa các website (ví dụ giữa các trang web của Mĩ và Bỉ) cĩ thể sai khác tới 60% (!). Vì vậy, khi lấy trung bình tháng của cả một chu kì dài ta nên lấy từ một nguồn thống nhất. Số liệu vết đen Mặt trời hàng năm cũng là con số trung bình. Cịn chu kì Mặt trời cĩ thể được dự đốn dựa theo số liệu hay mơ hình của các chu kì được quan trắc trước đĩ. Ngồi số vết đen Mặt trời, người ta cịn sử dụng chỉ số biểu thị hoạt động Mặt trời là thơng lượng bức xạ của bước sĩng 10,7cm hay tần số 2800 MHz. Chỉ số này cĩ biến điệu tương tự số vết đen Mặt trời nhưng nĩ cĩ ưu điểm : ít thay đổi, đo đạc thường xuyên, trùng với thơng lượng sĩng cực ngắn (EUV) và tia X. Trong việc khảo sát biến thiên của các thơng số tầng điện li Trái đất theo hoạt động Mặt trời ta nên lấy theo số vết đen R ở các chu kì dài năm, tháng ; cịn các chu kì ngắn như ngày hoặc 3 chu kì quay của Mặt trời (81 ngày) thì nên lấy theo f10,7. 5. Chu kì hiện nay – chu kì 23 của hoạt động Mặt trời Chu kì 23 được tiên đốn theo mơ hình được xây dựng bởi 12 nhà khoa học từ 10 trạm Mặt trời trên thế giới từ ngày 25/9/1996 tại cuộc họp quốc tế ở Boulder (Colorado – Mĩ). Phương tiện để xây dựng mơ hình này dựa trên các số liệu của đài mặt đất, các vệ tinh gần mặt đất, kính Hubble và trạm vũ trụ quốc tế. Chu kì được dự đốn bắt đầu từ cuối tháng 4/1996 hoặc tháng 3/1997, đạt cực đại vào khoảng 1/1999 hay 3/2000 hoặc 7/2001. Thời gian tăng từ cực tiểu đến cực đại dự đốn là 3 hoặc 4 năm. Chu kì dự đốn kết thúc vào cuối năm 2006, đầu 2007. Giá trị cực đại của số vết đen vào cỡ từ 160 ± 30. Trong thực tế chu kì 23 cĩ thể được coi là bắt đầu từ tháng 5/1996. Số vết đen Mặt trời làm trơn cực đại đạt được vào tháng 4/2000 với giá trị 120,8. Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà 30 Hình 1. Hình dáng của hoạt động chu kì 23 thể hiện qua số vết đen và thơng lượng 10,7cm được tiên đốn từ trước khi chu kì bắt đầu (trước năm 1996) Bảng 1. Số liệu vết đen thực tế trong chu kì 23 (tính đến nm 2005) Năm Số Rz 1996 8,6 1997 21,5 1998 64,3 1999 93,3 2000 119,6 2001 111,0 2002 104,0 2003 63.7 2004 40.4 Bảng 2. Bảng biến động bão từ trong chu kì 23 Năm (Ngày)/ (tháng) 1998 4/5 ; 27/8 ; 25/9 2000 15/7 ; 12/8 ; 5/10 2001 31/3 ; 6,24/11 2002 2/4 2003 16/8 ;28/10 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Số 10 năm 2007 31 Như vậy, chu kì 23 xảy ra rất giống như tiên đốn. Tuy nhiên, nĩ cũng cĩ những bất thường. Đĩ là sự xuất hiện cực đại phụ vào tháng 11.2002 và sự đảo cực chậm chạp hơn so với các chu kì khác. Nhiều mơ hình Mặt trời mới với các cách lí giải mới về cơ chế của hoạt động Mặt trời đang được xây dựng trên cơ sở nghiên cứu chu kì 23 này. Hình 2. Hình dáng của hoạt động chu kì 23 thể hiện qua số vết đen trong thực tế 6. Kết luận Vết đen Mặt trời và các hoạt động Mặt trời được biết đến từ lâu bởi các ảnh hưởng của chúng đến đời sống con người nĩi chung, tầng điện li nĩi riêng. Ngày nay việc nghiên cứu Mặt trời cĩ nhiều phương tiện hơn, trong đĩ Internet đĩng một vai trị quan trọng trong việc phổ biến các số liệu quan trắc về Mặt trời, phục vụ cho tất cả các nghiên cứu về mối quan hệ Mặt trời và Trái đất trên tồn thế giới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Asgeis Brekke (1997), Physics Of The Upper Polar Atmosphere, Praxis Publishing Ltd. Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TP.HCM Trần Quốc Hà 32 [2]. Curt Suplee (2004), A Stormy Star, Nat. Geog Paper 8, Juli 2004. [3]. Harold Zirin (1998), Astrophysics Of The Sun, Cambridge University Press. [4]. J.K. Hargreaves (1942), The Solar Terrestrial Environment, Cambridge University Press. [5]. Trần Quốc Hà (2004), Giáo Trình Thiên Văn Học Đại Cương, NXB ĐHQG Tp.HCM. Tĩm tắt : Chu kì hoạt động Mặt trời Tất cả các mối quan hệ Mặt trời – Trái đất đều được điều khiển bởi các hành vi của Mặt trời. Tác động của hoạt động Mặt trời, đặc biệt là trong chu kì 23 hiện nay lên tầng điện li Trái đất được tác giả đề cập trong các nghiên cứu của mình. Bài báo này đem lại những hiểu biết về hoạt động Mặt trời, cho biết phương thức thu thập số liệu hoạt động Mặt trời từ Internet và giới thiệu chu kì Mặt trời hiện thời, nhằm mục đích nghiên cứu mối quan hệ giữa Mặt trời và tầng điện li Trái đất. Abstract : The Solar cycle All Solar – Terrestrial relations are driven by Solar behaviour. The effect of Solar Activity, especially in the 23th Cycle on the Earth ‘s Ionosphere, is investigated in the author’s research. This paper is about the Solar Cycle and shows how to collect the data of the Solar Activity from Internet in order to study the relation between the Sun and the Earth’s Ionosphere.